《総説》身近な地学現象の物理 : なぜ細かい粒子はゆっくり堆積するのか？

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  • A review on physics of familiar geoscientific phenomena: Why are fine grains deposited slowly?
  • ソウセツ ミジカ ナ チガク ゲンショウ ノ ブツリ : ナゼ コマカイ リュウシ ワ ユックリ タイセキ スル ノカ

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抄録

身近な地学現象である『なぜ細かい粒子はゆっくり堆積するのか？』を理解するためには，水や空気などの流体の中を落下する粒子に働く力として，重力と浮力の他に，粘性による抗力を考える必要がある。粒子を球体に近似できるとすれば，ストークスの法則により，粒子に働く抗力は，粒子の直径，粘性率及び落下速度に比例する。抗力は落下速度と共に増大し，これら３つの力が釣り合った時に落下速度は一定となり，粒子は一定速度のまま堆積する。この一定速度を終端速度と呼び，３つの力の釣り合いから求めることができる。粒子の終端速度は，粒径の２乗及び粒子と流体の密度差に比例し，粘性率に反比例する。従って，粒子の密度が同じであれば，細かい粒子ほど終端速度は小さくなり，ゆっくり堆積することになる。このことは，水中だけでなく空気中でも成り立つが，空気の粘性率は水の粘性率の約1/100 であるので，空気中では粘性の影響が現れにくい。落下させる物体のサイズを極端に違うものにするか，落下させる距離を極端に長くしなければ，終端速度に違いは出にくい。一方，風船が空気中を落下する場合には，風船のサイズが大きい程，風船の密度は空気の密度に近づき，空気との密度差がゼロに近づくために終端速度は小さくなり，ゆっくり落下する。風船の場合，終端速度に与える効果は，サイズよりも空気との密度差の方がずっと大きい。

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